基于I2C总线的湿度数字传感器的设计与实现

黄锋刘杨东谭山黄甦

（1.广州计量检测技术研究院 2.广州机场出入境检验检疫局 3.珠海市质量计量监督检测所）

基于I2C总线的湿度数字传感器的设计与实现

黄锋1刘杨东2谭山1黄甦3

（1.广州计量检测技术研究院 2.广州机场出入境检验检疫局 3.珠海市质量计量监督检测所）

本文介绍基于I2C总线的湿度数字传感器的设计方案，给出了具体的应用电路，并提出了一种提高电路准确度的方式，拓展了I2C总线器件的应用。

I2C；传感器；湿度

1 引言

智能传感技术是涉及微机械电子技术、计算机技术、信号处理技术、传感技术与人工智能技术等多种学科的综合密集型技术，它能实现传统传感器所不能完成的功能，是传感器技术发展的主要方向之一。智能传感器系统的总线标准概括可分为基于典型芯片级的总线、USB总线和IEEE1451智能传感器接口标准，其中典型芯片级的 I2C(Inter－Integrated Circuit)总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，在消费类电子产品、智能仪器仪表和工业测控领域应用广泛。据研究报道，美国火星探测计划的“勇士”号和“机遇”号火星车上采用的就是100kb/s的I2C总线；美国宇航局喷气推进实验室（JPL）的深空系统技术计划（X2000）已将I2C总线作为低功耗总线标准，在其后续项目中仍将采用，证明了I2C总线的价值和可靠性。

目前除了芯片级的I2C数字传感器件，其它传感器一般需通过信号调理后由I2C总线的A/D芯片来实现。市面上I2C总线的湿度数字传感器极少，SHTXX系列和HTD2230湿度传感器仅是采用了类似I2C的两线式串行总线，其电气标准并不是I2C标准，不能兼容I2C总线，不能在总线上挂多只传感器。本文提出一种真正的 I2C总线的湿度数字传感器的实现方案，其总体思路是采用振荡器调理湿度传感器信号，通过计数器测量RC振荡器的输出频率，使用I2C的I/O器件对计数值进行读取，从而实现I2C接口。

2 I2C总线简介

I2C总线由飞利浦半导体公司开发，总线标准已经成为国际标准的一种，目前 I2C总线规范版本为2.1，I2C总线是用于芯片之间连接的总线。该总线使用两根信号线进行数据的传输，包括：串行时钟线（Serial Clock Line，SCL）和串行数据线（Serial Data line，SDA）。连接到I2C总线上的任何器件都拥有唯一的地址，分7位地址器件和10位地址器件两种。

I2C总线最显著的特点是规范的完整性、结构的独立性和用户使用时的简单化。I2C总线有严格的规范，如接口的电气特性、信号时序、信号传输的定义、总线状态设置、总线管理规则及总线状态处理等。

作为一种串行总线，I2C总线虽没有并行总线的数据吞吐能力，但它只需要很少的配线和IC连接管脚，电路结构简单，程序编写方便，易于实现用户系统软硬件的模块化、标准化等。其优点包括：

① 根信号线组成了I2C总线，结构简单；

② 容易实现的协议内容。由于协议规范非常简单，I2C各部件的逻辑很容易在芯片内部以硬件方式实现；

③ 数十个器件可以同时挂在同一条I2C总线上，I2C总线上的器件可带电接入或撤出即热插拔，非常便于组网应用；

④ 电气兼容性好。器件之间以开漏 I/O相互连接，兼容3V/5V的逻辑电平只要选取适当的上拉电阻就能轻易实现；

⑤ 通信速率非常高。标准模式下，I2C总线传输速率为100 kb/s；快速模式下为400 kb/s；高速模式下可达3.4Mb/s。

3 电容式湿度传感器及其振荡电路

常用的湿度传感器分为电阻式和电容式两种。湿敏电阻的优点是灵敏度高，缺点是线性和产品的互换性差；湿敏电容的优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，但精度一般比湿敏电阻要低。另外还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等，这些湿敏元件的线性度及抗污染性差，容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。因此，市场常见的是电容式湿度传感器。

以常用的HS1100电容式湿度传感器为例，其相对湿度RH与输出电容Cx之间的关系如下：

式中：Cx为传感器输出电容值；C@55%为相对湿度55%时的传感器输出电容值；RH为相对湿度。

C@55%的典型值为 180pF，相对湿度在 0%～100%范围其电容值范围约为160pF～200pF，电容值变化范围约40pF，典型工作频率在5kHz～10kHz。这样的电容范围目前没有CDC转换芯片，可采用经典的振荡器电容测量电路，或采用NE555实现电容/频率的转换。

以准确度为2%的湿度传感器为设计目标，电路部分的误差分配定在0.5%，则电容/频率转换准确度要达到：0.5%×40pF/200pF=0.1%。由于NE555的电容/频率转换稳定性远达不到0.1%，故采用RC文氏电桥振荡电路，其电路原理如图1所示。考虑I2C总线只有单电源，为简便不另增加电源电路，将RC文氏电桥振荡电路调整为单电源振荡电路，直接使用I2C总线的电源工作，电路原理如图2所示。

该振荡电路的振荡频率如下：

其中，R3、R4取值相同；C4取传感器在 55%相对湿度时的电容值；Cx为传感器的输出电容。R1/R2取3左右，R21=R22。电路参数的设计要求频率f介于5 kHz～10 kHz。

图1 RC文氏电桥振荡电路

图2 单电源供电的RC文氏电桥振荡电路

4 频率计数电路

频率计数方式有两种：一是在已知时间T内测量频率信号f 的脉冲个数n，则f =n／T，T为采样周期；二是在m个被测频率信号f 的脉冲个数周期内测量已知频率信号f0的脉冲个数n，则f =n／mf0，mf 为采样周期。鉴于被测频率不高（小于10 kHz），秒级的基准时间信号获得较为麻烦，故采用方式二较易实现高准确度的测量。

常用的分频器／计数器CD4040为12位，以被测信号7kHz为例，3级分频后可获得约0.5 ms的采样周期，测量4 MHz的标准频率可获得约2000个计数值，计数准确度可达0.05%，达到设计要求。

电路具体实现时，还需采用锁存器对计数器的计数值进行锁存，直至下一个采样周期完成时予以更新并再次锁存，使得随时采集锁存器的输出均是有效的计数值。电路器件的选择为CD4040计数器、74LS174锁存器、4 MHz有源晶振，电路原理如图3所示。

图3 频率计数电路原理图

上述方案获得的计数值最大只能达4096（212），对相对湿度测量而言，并不是振荡器的整个频率范围都是有效的湿度测量范围，湿度测量范围仅相对于计数值范围的约25%，因此可以采用将高位无效计数值“溢出”的方式提高测量的准确度。

计数“溢出”的原理是：以振荡器参数实现相对湿度0%对应频率7.3 kHz，相对湿度100%对应频率6 kHz为例，3级分频后获得的采样周期T分别为：

对4 MHz晶振信号的计数值n分别为：

n值均在12位计数器的计数范围内，但湿度测量的有效计数值只有2667-2192=475。

采用“溢出”计数，则可将3级分频提高至5级分频，可获得8776～10667个计数值，湿度测量有效计数值为1891。理论上需要14位（214=16384）的计数器，但即使仍使用12位的计数器，虽然此时12位计数器计数溢出，只可获得低 12位的计数值8776-8192=584和10667-8192=2475，但通过补值计算仍可获得真实的计数值，此时获得湿度测量的有效计数值为1891，对比“溢出”前提高了4倍的有效计数值，可获得4倍的测量准确性。

5 I2C接口电路

对计数电路的锁存器输出进行读取即可获得计数值，从而通过计算获得相对湿度。采用I2C总线的I/O器件便实现了I2C总线的湿度数字传感器。

I2C总线的12位以上的I/O器件有PCA9535、PCA9555、PCA9539、PCA9671等，本例采用低廉的PCA9535。PCA9535为16位I/O器件，具有3位可设置的地址位，可赋予8个I2C器件地址，方便多只传感器的组网使用，实现多路测量。PCA9535有 2组8位I/O通道，每位均可单独设置为输入或输出，本例需至少设置12位输入，具体I2C总线命令见表1。

表1 PCA9535的I2C传输命令

此时，只需将PCA9535A组的8位数据线和B组的低4位数据线与锁存器74LS174的输出端相连即可实现I2C接口的湿度数字传感器。

6 实验数据

湿度传感器电路的最关键性能是频率稳定性，对本电路分别连接标准电容和HS1100湿度传感器进行了频率稳定性实验，实验数据分别见表2、表3。

表2 接标准电容时电路频率稳定性实验数据

表3 接HS1100时电路频率稳定性实验数据（20℃）

实验数据表明，频率稳定性良好，说明本电路是有效可行的。

7 结论

本文提出了基于I2C总线的湿度数字传感器的设计方案：采用RC振荡器实现电容/频率的稳定转换，采用计数器的方式测量频率，并提出采用计数“溢出”的方式提高湿度信号的测量准确度；同时，仅采用I2C总线电源，设计了单电源供电的振荡器。整体设计方案简单，通过实验验证，本方案有效、可行，通过I2C接口实现了湿度传感器的数字化。

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Design and Implementation of a Digital Humidity Sensor Based on I2C

Huang Feng1Liu Yangdong2Tan Shan1Huang Shu3
(1.Guangzhou Institute of Measuring and Testing Technology 2.Guangzhou Airport Entry-Exit Inspection and Quarantine 3.Zhuhai Supervision Testing Institute of Quality and Metrology)

This paper introduces design of a humidity digital sensor and specific applied circuit, provides a circuit of improving accuracy and application of I2C bus and devices.

I2C; Sensor; Humidity

黄锋，男，1968年5月生，硕士，高级工程师，主要研究方向：热工力学检测技术、虚拟仪器、测量不确定度分析等。

刘洋东，男，1977年4月生，硕士，工程师，主要研究方向：进出口商品检测。

谭山，男，1960年3月生，本科，高级工程师，主要研究方向：仪器仪表、电子电路技术等。

黄甦，男，1968年8月生，硕士，高级工程师，主要研究方向：无线电技术、电学计量等。